提高TiO2光催化效率研究取得新進展

2020-11-22 科學網

 

從能源角度考慮，氫能是一種可再生的綠色能源。但是傳統的制氫方法，要消耗大量的常規能源，限制了氫能的推廣利用。早在1972年，日本科學家就提出用光照TiO2分解水來製備H2。TiO2由於其具有強的催化活性，好的化學穩定性以及高的光生載流子壽命等特性而成為目前研究最多的半導體光催化材料。但是由於TiO2是一種寬禁帶半導體材料（Eg=3.2eV），只能吸收太陽光譜中的紫外光部分，而紫外光只佔太陽光總能量的5%左右，所以如何提高TiO2對可見光的光響應是目前該領域的研究熱點。

 

光催化是同時利用光生載流子的還原-氧化能力來降解周圍環境中的有毒汙染物以及分解水來製備H2和O2。原則上，要提高TiO2的光催化效率，不僅要調整其帶隙滿足大約在2.0~2.2 eV範圍內的要求，還要保證其光生載流子仍具備分解水的還原-氧化能力，即調整後的TiO2的導帶底的位置不得低於H2O的氫電極電位；價帶頂的位置不得高於H2O的氧電極電位。

 

基於以上考慮，半導體所李京波研究員、博士生蓋豔琴應用第一性原理計算，採用補償的施、受主共摻雜的方法，通過分析TiO2的價帶頂和導帶底的波函數特點以及摻雜元素化學特性，得出Mo+C 共摻雜到TiO2中，能夠滿足帶隙要求的同時，保證了材料的價帶頂位置向高能方向移動，而導帶底位置幾乎不變；同時這種補償的共摻雜的方法消除了由單獨摻雜所引入的載流子複合中心，提高了光生載流子的壽命；以及施、受主對之間強的庫侖束縛能，保證了材料的熱穩定性。該研究成果，為實現高效率的TiO2基的光催化材料提供了新的思路。

 

該工作與李樹深研究員、夏建白院士、美國再生能源國家實驗室魏蘇淮教授合作。相關成果發表在2009年1月23日的《物理評論快報》（Physics Review Letters）（ 102，036402，2009）上。

 

該項目得到中科院「百人計劃」、國家自然科學基金委和科技部973項目的支持。

 

（《物理評論快報》（

PRL

），DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.036402，Yanqin Gai，Jingbo Li）

 

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